超臨界水處理系統反應器溫度控制裝置及其控制方法
2023-07-22 11:18:51 1
專利名稱：超臨界水處理系統反應器溫度控制裝置及其控制方法
技術領域：
本發明涉及超臨界水處理設備技術領域，具體的說是一種超臨界水處理系統反應 器溫度控制裝置及其控制方法。
背景技術：
超臨界水是指溫度和壓力均高於其臨界點(T = 374. 15°C，P = 22. 12MPa)的特殊 狀態的水。超臨界水處理技術是利用超臨界水對有機物和氧化劑都是良好的溶劑的特殊性 質，在提供不同數量氧化劑的前提下，有機物在超臨界水環境中進行均相反應，迅速、完全、 徹底地將有機物結構深度破壞，轉化成無害的co2、H2(不加入或少量加入氧化劑的條件下) 和H2O等無害的小分子化合物，無機鹽容易分離出來。超臨界水處理技術包括超臨界水氧 化技術、超臨界水部分氧化技術和超臨界水氣化技術，後兩者可以用來製取氫氣。超臨界水 處理技術具有處理徹底、反應速率快、應用範圍廣、環境友好等特性，具有良好發展前景。超臨界水處理技術需要苛刻的反應條件，溫度一般要高於450°C，壓力一般穩定在 25MI^左右。廢有機物在超臨界水中發生複雜的反應過程，在超臨界氧化過程中會放出大量 的熱量，而在超臨界水氣化和部分氧化過程中需要補充熱量，因此維持反應器中反應溫度 的控制困難。維持穩定的反應溫度對廢有機物的無害化處理和資源化轉化非常重要，同時 也是超臨界水處理反應器的正常和安全運行的前提。現有的維持超臨界水處理反應器溫度 的方式是在輔助加熱的前提下，通過固定物料和氧化劑的進料量。使現有超臨界水處理反 應器對物料的特性要求高，適用範圍窄，自身自動調節性能較差，影響了反應器的可靠持久 運行。
發明內容
針對現有技術中存在的上述不足之處，本發明要解決的技術問題是提供一種實現 反應器頂部溫度的實時調節、自動控制及反應器的安全可靠持久運行的超臨界水處理系統 反應器溫度控制裝置及其控制方法。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是本發明超臨界水處理系統反應器溫度控制裝置包括控制單元、溫度變送器、冷卻 泵、電動調節閥及加熱器，其中控制單元的採集信號輸入端與設於臨界水處理系統中反應 器頂部的溫度變送器相連，輸出端接至冷卻泵、電動調節閥及加熱器的控制迴路；所述電動 調節閥設於冷卻泵的出口處。所述控制單元包括中央處理器、模擬量輸入單元、模擬量輸出單元及數字量輸出 單元，其中中央處理器通過模擬量輸入單元接有溫度變送器，中央處理器的輸出端通過模 擬量輸出單元接至加熱器控制迴路、電動調節閥、電動執行器以及冷卻泵轉速控制迴路，通 過數字量輸出單元與冷卻泵的啟停控制迴路以及電動調節閥的電動執行器相連。所述加熱器控制迴路具有三相電力調整器，其接收模擬量輸出單元輸出的控制信 號，對加熱器進行調功。
所述控制單元以冗餘對的形式組態，單一運行，自動切換。本發明超臨界水處理系統反應器溫度控制方法包括以下步驟開始，裝置初始化，設定反應器的溫度控制值及電動調節閥的PID參數；控制單元通過溫度變送器採集反應器的溫度；判斷反應器的溫度是否高於設定值；如果不高於設定值，則控制單元進行PID運算並輸出控制信號，減小反應器冷卻 水的進水流量；判斷反應器的溫度是否低於設定值，且反應器冷卻水的進水流量是否為0 ；如果反應器的溫度低於設定值，且反應器冷卻水的進水流量為0，則PID運算並輸 出控制信號，增大加熱器的加熱功率；返回判斷反應器的溫度是否高於設定值步驟；如果反應器的溫度低於設定值，反應器冷卻水的進水流量為0中有一個條件未滿 足，則返回判斷與設定值的大小步驟。如果反應器的溫度高於設定值，則控制單元進行PID運算並輸出控制信號，降低 加熱器的加熱功率；接續判斷反應器的溫度是否高於設定值，且加熱器是否停止；當判斷反應器的溫度高於設定值，且加熱器停止時，啟動冷卻泵，為反應器補入冷 卻水，控制單元同時進行PID運算並輸出控制信號，增加反應器冷卻水的進水流量；當反應器的溫度高於反應器頂部臨界溫度時，反應器超溫報警；如果反應器的溫度沒有達到反應器頂部臨界溫度，則返回判斷反應器的溫度是否 高於設定值步驟。如果反應器的溫度高於設定值、加熱器停止中有一個條件未滿足，則返回判斷反 應器的溫度是否高於設定值步驟。本發明具有以下有益效果及優點1.本發明解決了響應緩慢的溫度迴路，整定控制參數困難的問題。2.本發明不需要建立被控溫度的數學模型，有較強的靈活性和適應性。
圖1為本發明超臨界水處理反應器頂部流體溫度的控制思路圖；圖2為本發明超臨界水處理系統反應器溫度控制裝置結構框圖；圖3為本發明裝置採用的控制方法流程圖。
具體實施例方式如圖1所示，為超臨界水處理反應器頂部流體溫度的控制思路圖。1為第1電動調 節閥，2為加熱器，3為混合器，4為反應器，5為冷卻器，6為背壓閥，7為第2電動調節閥，8 為手動調節閥，9為水箱，10為冷卻泵，11為第3電動調節閥，12為蒸發壁水。超臨界水處理反應器的工作流程如下廢有機物物料經過加熱器2預熱後，與氧氣在混合器3中充分混合後，再進入反應 器4進行脫鹽和反應。潔淨的蒸發壁水進入反應器4，在多孔蒸發壁的內表面處形成一層保護性水膜，避免反應器的鹽沉積和腐蝕問題。反應後的潔淨流體從反應器4的頂部出口流 出，分別經過冷卻器5冷卻和背壓閥6降壓後，再進行後續的氣液分離等處理過程。反應流 體在反應器4中利用超臨界水的特性進行脫鹽處理，含鹽流體通過反應器4的底部出口流 出，再進行後續的處理過程。啟動冷卻泵10，通過調節第2電動調節閥7的開度，冷卻水從水箱9進入反應器 4，使反應器4頂部流體溫度TIC(I)穩定在設定範圍內。本發明針對超臨界水處理反應器提供一套過程控制系統PCS7，通過PID算法實現 反應器頂部溫度的實時調節，實現自動控制，保證廢有機物超臨界水無害化處理和資源化 利用效果及反應器的安全可靠持久運行。如圖2所示，本發明超臨界水處理系統反應器溫度控制裝置包括控制單元、溫度 變送器TIC(I)、冷卻泵10、第2電動調節閥7及加熱器2，其中控制單元的採集信號輸入端 與設於臨界水處理系統中反應器4頂部的溫度變送器TIC(I)相連，輸出端接有冷卻泵10、 各個電動閥及加熱器2的控制迴路。所述控制單元採用包括中央處理器、模擬量輸入單元、模擬量輸出單元及數字量 輸出單元，其中中央處理器通過模擬量輸入單元接有溫度變送器TIC(I)，輸出端通過模擬 量輸出單元接至加熱器控制迴路、各電動閥控制迴路以及冷卻泵10轉速控制迴路，通過數 字量輸出單元與冷卻泵10的啟停控制迴路以及電動閥中截止閥的電動執行器控制迴路相 連(閥頭控制迴路為模擬量控制)。所述控制單元以冗餘對的形式組態，單一運行，自動切換。所述加熱器控制迴路具有三相電力調整器，其接收模擬量輸出單元輸出的控制信 號，對加熱器進行調功。所述第2電動調節閥7設於冷卻泵10的出口處，通過調節第2電動調節閥7的開 度調整進入反應器4中的冷卻水的流量，使反應器4頂部流體溫度TICl穩定在設定範圍 內。如圖3所示，本發明一種超臨界水處理系統反應器溫度控制裝置的控制方法包括 以下步驟開始，裝置初始化設定反應器的溫度控制值及電動調節閥的PID參數；控制單元通過溫度變送器TIC(I)採集反應器4溫度；判斷反應器4頂部的溫度是否高於設定值；如果不高於設定值，則控制單元進行PID運算並輸出控制信號，減小第2電動調節 閥7的開度，以此來減少反應器冷卻水的進水流量；判斷反應器4的溫度是否低於設定值，且第2電動調節閥7的開度(反應器冷卻 水的進水流量)是否為0;如果反應器4的溫度低於設定值，且第2電動調節閥7的開度為0，則控制單元進 行PID運算並輸出控制信號，增大加熱器2的加熱功率；返回判斷反應器4的溫度(TIC(I)值)是否高於設定值步驟。如果反應器4的溫度低於設定值且第2電動調節閥7的開度不為0中有一個條件 未滿足，則返回判斷反應器4的溫度(TIC(I)值)是否高於設定值步驟。如果反應器4的溫度高於設定值，則控制單元進行PID運算並輸出控制信號，降低加熱器9的加熱功率；接續判斷反應器4的溫度是否高於設定值，且加熱器2是否停止；當反應器4的溫度高於設定值，且加熱器2停止時，啟動冷卻泵10，為反應器4補 入冷卻水，控制單元同時進行PID運算並輸出控制信號，增加第2電動調節閥7的開度，以 此來增大反應器冷卻水的進水流量；當反應器4的溫度高於臨界溫度(本實施例中工藝流程設定為552°C)時，反應器 4超溫報警。如果反應器4的溫度沒有達到臨界溫度，則返回判斷反應器4的溫度是否高於設 定值步驟。如果反應器4的溫度高於設定值且加熱器9停止中有一個條件未滿足，則返回判 斷反應器4的溫度是否高於設定值步驟。本發明針對超臨界水處理反應器提供一套過程控制系統PCS7，通過PID算法實現 反應器頂部溫度的實時調節，實現自動控制，保證廢有機物超臨界水無害化處理和資源化 利用效果及反應器的安全可靠持久運行。本實施例中控制單元採用西門子S7-400H冗餘系統，通過SFB/FB" C0NT_C〃(連 續控制器)在SIMATIC S7可編程邏輯控制器上使用，通過持續的輸入和輸出變量來控制工 藝過程。在參數分配期間，可以通過激活或取消激活PID控制器的子功能使控制器適應過 程的需要。S7-400H標準系統上可實施「SIMATIC S7軟體冗餘」軟體包，以控制容許在出現故 障時經數秒延遲切換到替代系統的過程，如供水工程、水處理系統或運輸流量控制過程。S7-400H是容錯自動化系統，只有在其它措施配合下控制安全相關過程時才需要 使用。兩個CPU是冗餘系統的核心組件，以雙通道結構進行操作，冗餘的實現方式為「硬冗 餘」，冗餘的切換方式為「熱冗餘」。冗餘狀態下主備CPU具有相同的用戶程序，並通過西門 子的「事件驅動的同步」方法同步執行程序。一旦可能導致主備站的內部單元狀態不同的 事件發生時，例如對I/O直接訪問的事件，將由作業系統自動同步它們的數據。冗餘系統在正常狀態下，主備CPU同時參與程序處理和數據運算，不同之處是備 用CPU不輸出控制信號。如果發生主站故障將進行無擾動主備CPU切換，從中斷點處由備用 CPU接替生產過程的控制，並處於單機工作狀態。CPU無切換時間，系統切換時間主要取決 於網絡的切換時間，該段時間內輸出保持切換前的輸出狀態，切換期間無信息或報警/中 斷丟失。對於其它公司的同類產品，一般CPU切換時間達到毫秒級，只要切換時間小於I/O 延遲時間和報警/中斷檢測時間，便可以保證在切換期間無信號丟失。PCS7過程控制系統能滿足對一流自動化系統在可用性、智能度和分布式輸出方面 的較高要求。系統提供了過程數據採集和準備所需的所有功能，其中包括裝配和設備的開 環迴路控制、閉環迴路控制及監視功能。
權利要求
1.一種超臨界水處理系統反應器溫度控制裝置，其特徵在於包括控制單元、溫度變 送器(TIC(l))、冷卻泵(10)、電動調節閥及加熱器O)，其中控制單元的採集信號輸入端與 設於臨界水處理系統中反應器(4)頂部的溫度變送器(TIC(I))相連，輸出端接至冷卻泵 (10)、電動調節閥及加熱器⑵的控制迴路；所述電動調節閥設於冷卻泵(10)的出口處。
2.按權利要求1所述的超臨界水處理系統反應器溫度控制裝置，其特徵在於所述控 制單元包括中央處理器、模擬量輸入單元、模擬量輸出單元及數字量輸出單元，其中中央處 理器通過模擬量輸入單元接有溫度變送器(TIC(I))，中央處理器的輸出端通過模擬量輸出 單元接至加熱器控制迴路、電動調節閥、電動執行器以及冷卻泵(10)轉速控制迴路，通過 數字量輸出單元與冷卻泵(10)的啟停控制迴路以及電動調節閥的電動執行器相連。
3.按權利要求1所述的超臨界水處理系統反應器溫度控制裝置，其特徵在於所述加 熱器控制迴路具有三相電力調整器，其接收模擬量輸出單元輸出的控制信號，對加熱器進 行調功。
4.按權利要求2所述的超臨界水處理系統反應器溫度控制裝置，其特徵在於所述控 制單元以冗餘對的形式組態，單一運行，自動切換。
5.一種超臨界水處理系統反應器溫度控制方法，其特徵在於包括以下步驟開始，裝置初始化，設定反應器的溫度控制值及電動調節閥的PID參數；控制單元通過溫度變送器(TIC(I))採集反應器的溫度；判斷反應器的溫度是否高於設定值；如果不高於設定值，則控制單元進行PID運算並輸出控制信號，減小反應器冷卻水的 進水流量；判斷反應器(4)的溫度是否低於設定值，且反應器冷卻水的進水流量是否為0;如果反應器⑷的溫度低於設定值，且反應器冷卻水的進水流量為0，則PID運算並輸 出控制信號，增大加熱器O)的加熱功率；返回判斷反應器的溫度是否高於設定值步驟。
6.按權利要求5所述的超臨界水處理系統反應器溫度控制方法，其特徵在於如果反應器的溫度低於設定值，反應器冷卻水的進水流量為0中有一個條件未滿 足，則返回判斷TIC(I)與設定值的大小步驟。
7.按權利要求5所述的超臨界水處理系統反應器溫度控制方法，其特徵在於如果反應器(4)的溫度高於設定值，則控制單元進行PID運算並輸出控制信號，降低加 熱器O)的加熱功率；接續判斷反應器的溫度是否高於設定值，且加熱器(2)是否停止；當判斷反應器的溫度高於設定值，且加熱器(2)停止時，啟動冷卻泵(10)，為反應 器(4)補入冷卻水，控制單元同時進行PID運算並輸出控制信號，增加反應器冷卻水的進水 流量；當反應器的溫度高於反應器頂部臨界溫度時，反應器(4)超溫報警。
8.按權利要求7所述的超臨界水處理系統反應器溫度控制方法，其特徵在於如果反應器的溫度沒有達到反應器頂部臨界溫度，則返回判斷反應器的溫度 是否高於設定值步驟。
9.按權利要求7所述的超臨界水處理系統反應器溫度控制方法，其特徵在於如果反應器(4)的溫度高於設定值、加熱器(2)停止中有一個條件未滿足，則返回判斷 反應器的溫度是否高於設定值步驟。
全文摘要
本發明涉及一種超臨界水處理系統反應器溫度控制裝置及其控制方法，控制單元的採集信號輸入端與設於臨界水處理系統中反應器頂部的溫度變送器相連，輸出端接至冷卻泵、電動調節閥及加熱器的控制迴路；所述電動調節閥設於冷卻泵的出口處；方法為裝置初始化，設定反應器的溫度控制值及電動調節閥的PID參數；控制單元採集反應器的溫度不高於設定值時，進行PID運算並輸出控制信號，減小反應器冷卻水的進水流量；如果反應器的溫度低於設定值，且反應器冷卻水的進水流量為0，則輸出控制信號，增大加熱器的加熱功率；返回判斷反應器的溫度是否高於設定值步驟。本發明解決了響應緩慢的溫度迴路，整定控制參數困難的問題，不需要建立被控溫度的數學模型，有較強的靈活性和適應性。
文檔編號G05D23/30GK102103383SQ20091024846
公開日2011年6月22日 申請日期2009年12月16日 優先權日2009年12月16日
發明者公彥猛, 呂闖, 姜東輝, 徐東海, 王偉, 王樹眾 申請人:大連森和節能環保科技有限公司